Вопрос 55

Азотфиксирующие микроорганизмы, азотфиксаторы, микроорганизмы, усваивающие молекулярный азот воздуха. К А. м. относятся бактерии из рода Rhisobium (см. Клубеньковые бактерии), живущие в симбиозе с бобовыми растениями (горох, лупин, клевер, люцерна и др.). На 1 га почвы, занятой бобовыми растениями, на корнях которых образуются клубеньки, связывается 100 — 250 кг и более атмосферного азота в год. А. м. являются также некоторые актиномицеты и др. микроорганизмы, образующие клубеньки на корнях небобовых растений (например, ольхи, лоха и др.). Азотфиксирующие бактерии образуют узелки в тканях листьев ряда тропических растений, которые без таких узелков нормально развиваться не могут. Активные азотфиксаторы — свободно живущие микроорганизмы, обитающие в почве и водоёмах. Это — анаэробная спороносная бактерия клостридиум, открыта С. Н. Виноградским;аэробный микроорганизм — азотобактер, занимающий по азотфиксирующей активности первое место (до 25 г азота на 1 кг использованного сахара), однако распространённый в почве менее, чем клостридиум; к А. м. относятся и т. н. олигонитрофилы (бактерии, хорошо растущие на безазотистых питательных средах) и некоторые виды Pseudomonas. Способность усваивать атмосферный азот установлена у микобактерий и у ряда ацетоноэтиловых бактерий (Bacillus polymyxa, Вас. macerans). Активными азотфиксаторами являются и многие виды сине-зелёных водорослей (Nostoc, Апаbaena и др.), некоторые пурпурные серобактерии и зелёные бактерии. Участвуют в фиксации атмосферного азота некоторые виды грибов, дрожжей и спирохет. А. м. имеют очень важное значение в круговороте азота в природе и, в частности, в снабжении доступными формами азота растений, которые не способны усваивать его из воздуха, а получают азот после минерализации белка А. м.

Содержание доступного растениям азота в почве обычно невелико. Поэтому повышение урожайности сельскохозяйственных растений связано в первую очередь с улучшением их азотного питания.

По примерным подсчетам, для сельскохозяйственной продукции земного шара требуется ежегодно около 100—110 млн. т азота. С минеральными удобрениями вносится лишь около 30% азота.

Дефицит азота в значительной степени компенсируется биологическим путем, в основном за счет запаса азота, аккумулированного в почве микроорганизмами, в первую очередь азотфиксирующими. реди процессов, от которых зависит биологическая продуктивность на земном шаре, одним из важнейших является фиксация микроорганизмами азота атмосферы. Проблема биологической азотфиксации относится к числу основных проблем сельскохозяйственной и биологической науки. Перед учеными стоит задача изыскать возможности управления процессом азотфиксации и на этой основе увеличить урожайность сельскохозяйственных культур.

Вопрос 56

Клубеньковые бактерии — бактерии рода лат. Rhizobium[1], которые способны связывать неорганический, атмосферный азот продуцируя органические азотсодержащие вещества. Клубеньковые бактерии, обитающие в корнях бобовых растений, являются симбионтами.

лубеньковые бактерии, бактерии рода Rhizobium, образующие на корнях некоторых бобовых растений клубеньки и фиксирующие в условиях симбиоза с растением молекулярный азот; при этом они продуцируют ряд физиологически активных веществ, благоприятно влияющих на бобовые растения. К. б. играют важную роль в обогащении почвы азотом. Молодые К. б. размером 0,5—0,9 ´ 1,2—3 мк неспороносны, подвижны, грамотрицательны, аэробны. Проникнув в корневой волосок, они вызывают активное деление клеток корня, что приводит к появлению клубенька. В нём К. б. растут и превращаются в утолщённые, разветвленные формы — так называемые бактероиды, наиболее интенсивно связывающие молекулярный азот. К. б. усваивают также аммонийные соли, нитраты, аминокислоты и др. соединения. Источником углерода для них могут быть моно- и дисахариды, некоторые полисахариды, органические кислоты, спирты. На плотных средах К. б. образуют круглые бесцветные, прозрачные, слизистые колонии, хорошо растущие при температуре 25 °С. Клубеньки, образованные активными К. б., содержат пигмент леггемоглобин и поэтому окрашены в розовый цвет. Разные К. б. вызывают развитие клубеньков у определенных бобовых растений: Rhizobium meliloti — у люцерны, донника; Rh. leguminosarum — у вики, гороха и кормовых бобов; Rh. trifolii специфичен только для клевера, Rh. japonicum — для сои. После разрушения клубеньков К. б. могут жить в почве как сапрофиты. Для лучшего образования клубеньков семена культурных бобовых растений заражают К. б. (см.

В 1866 г. известный ботаник и почвовед М.С.Воронин увидел в клубеньках на корнях бобовых растений мельчайшие «тельца». Воронин выдвинул смелые для того времени предположения: он связал образование клубеньков с деятельностью бактерий, а усиленное деление клеток ткани корня с реакцией растения на проникшие в корень бактерии.20 лет спустя голландский ученый Бейерин к выделил из клубеньков гороха, вики, чины, фасоли, сераделлы и лядвенца бактерии и изучал их свойства, проверив способность заражать растения и вызывать образование клубеньков. Он назвал эти микроорганизмы Bacillus radicicola. Поскольку к роду Bacillus относятся бактерии, образующие споры, а клубеньковые бактерии лишены этой способности, А. Пражмовский переименовал их в Bacterium radicicola. Б. Франк предложил более удачное родовое название клубеньковых бактерий — Rhizobium (от греч. rhizo — корень, bio — жизнь; жизнь на корнях). Это название привилось и используется в литературе до сих пор. Для обозначения вида клубеньковых бактерий принято к родовому названию Rhizobium добавлять термин, соответствующий латинскому названию того вида растения, из клубеньков которого они выделены и на котором могут образовывать клубеньки. Например, Rhizobium trifolii — клубеньковые бактерии клевера, Rhizobium lupini — клубеньковые бактерии люпина и т. д. В тех случаях, если клубеньковые бактерии способны образовывать клубеньки на корнях разных видов бобовых растений, т. е. вызывать так называемое перекрестное заражение, видовое название является как бы собирательным — в нем отражена именно эта «перекрестно заражающая» способность. Например, Rhizobium leguminosarum — клубеньковые бактерии гороха (Pisum), чечевицы (Lens), чины (Lathyrus).Бактероиды содержат большее количество волютиновых гранул и характеризуются более высоким содержанием гликогена и жира, чем палочковидные клетки. Бактероиды, выращенные в искусственных питательных средах и образовавшиеся в тканях клубенька, физиологически однотипны. Есть мнение, что бактероиды — это формы бактерий с незавершенным процессом деления. При незавершенном делении клеток клубеньковых бактерий возникают дихотомически ветвящиеся формы бактероидов. Количество бактероидов увеличивается при старении культуры; их появлению способствуют истощение питательной среды, накопление продуктов обмена, внесение в среду алкалоидов.В старых (двухмесячных) культурах клубеньковых бактерий с помощью электронного микроскопа можно выявить во многих клетках четко очерченные образования сферической формы (рис. 145) — артроспоры. Их количество в клетках варьирует от 1 до 5. Этапы развития симбиоза ризобий с бобовыми

Развитие симбиоза можно разделить на три основных этапа: преинфекция, инфекция и развитие клубенька, функционирование клубенька

I. Преинфекция. Происходит взаимное узнавание партнеров и подготовка к формированию симбиотической системы. Растение в нано- или пикомолярных концентрациях начинает продуцировать специфичные флавиноиды, которые активируют гены вирулентности (Nod-гены) ризобий [23]. Nod-гены кодируют синтез Nod-факторов (липоолигосахаридов), вызывающих у растения-хозяина скручивание корневых волосков и образование клубеньковой меристемы

II. Инфекция и развитие клубеньков. В месте резкого сгиба волоска пектолитические ферменты растения разрушают клеточную стенку, через которую бактерии и проникают внутрь. Вокруг этих бактерий образуется полость – инфекционная нить, стенки ее образованы растительными клетками, а внутреннее пространство заполнено полисахаридами растения и микросимбионта Далее происходит эндоцитоз ризобий из инфекционной нити внутрь клеток растения-хозяина. В цитоплазме растительной клетки бактерии окружаются специальными перибактероидными мембранами (ПБМ), синтезируемыми в основном растительной клеткой и частично ризобиями]. Количество ризобиальных клеток внутри ПБМ зависит от вида растений: 5-10 – у вигны, фасоли и сои, по одной – у гороха, люцерны и клевера. Бактериальные клетки, окруженные общей ПБМ, называются симбиосомой и являются основной структурно-функциональной единицей симбиоза []. Большинство бобовых образуют внутриклеточный симбиоз с ризобиями, идущий по механизму «двойного эндоцитоза» Вскоре ризобии в ПБМ преобразуются в особые симбиотические формы – бактероиды, имеющие в три-пять раз большие размеры, чем свободноживущие бактерии [26]. Все это способствует формированию на поверхности корней клубеньков. Морфология и число клубенька строго определяется растением-хозяином, что возможно связано с большой энергоемкостью их образования